Newest measurements of Hubble constant from DESI 2024 BAO observations

Résumé technique : Nouvelles mesures de la constante de Hubble à partir des observations BAO de DESI 2024

Énoncé du problème
L'article traite de la « tension de Hubble » persistante, une divergence significative entre les mesures de la constante de Hubble ($H_0$) dérivées de l'Univers primordial (par exemple, les données CMB de Planck donnant $H_0 \approx 67,4$ km s⁻¹ Mpc⁻¹) et celles de l'Univers tardif (par exemple, les données SN Ia de SH0ES donnant $H_0 \approx 73,04$ km s⁻¹ Mpc⁻¹). Cette tension, actuellement à un niveau de signification de 5–6$\sigma$, remet en question le modèle cosmologique standard $\Lambda$CDM. Les tentatives précédentes pour résoudre cela à l'aide des oscillations acoustiques de baryons (BAO) reposaient souvent sur l'échelle de l'horizon sonore ($r_d$) à l'époque du traînage, utilisant ainsi une règle standard qui introduisait un biais dépendant de la physique de l'Univers primordial ou de la calibration du CMB. Les auteurs visent à déterminer $H_0$ en utilisant une approche purement pilotée par les données et indépendante du modèle, contournant ainsi le besoin de calibration de $r_d$ ou de la calibration intrinsèque de la luminosité des Supernovae de type Ia (SN Ia).

Méthodologie
Les auteurs utilisent les dernières mesures BAO du Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) issues de la publication de données 1 (DR1), couvrant la plage de redshift $z = 0,51 - 2,33$. Le cœur de leur méthode repose sur la relation de dualité de distance (DDR), $d_L(z) = (1+z)^2 d_A(z)$, qui lie la distance de luminosité ($d_L$) et la distance de diamètre angulaire ($d_A$) dans toute théorie de la gravité métrique où le nombre de photons est conservé.

La constante de Hubble est formulée comme suit :
$$H_0 = \frac{1}{(1+z)^2} \frac{\Xi_{\text{SNIa}}(z)}{\Xi_{\text{BAO}}(z)} H_{\text{CC}}(z)$$
où :

• $\Xi_{\text{SNIa}}(z) = H_0 d_L(z)$ est la distance de luminosité non ancrée dérivée des magnitudes apparentes des SN Ia.
• $\Xi_{\text{BAO}}(z) = H(z) d_A(z)$ est dérivée des mesures BAO de DESI des distances comobiles transversales ($D_M$) et de la ligne de visée ($D_H$). Crucialement, le rapport $D_M/D_H$ permet de calculer $H(z)d_A(z)$ sans connaître la valeur absolue de l'horizon sonore $r_d$.
• $H_{\text{CC}}(z)$ est le paramètre de Hubble mesuré directement via les chronomètres cosmiques (CC).

Pour évaluer cette équation aux redshifts spécifiques des cinq points de données BAO de DESI, les auteurs emploient la régression par processus gaussien (GP) pour reconstruire les fonctions continues de $H_0 d_L(z)$ (à partir de l'ensemble de données SN Ia Pantheon+) et de $H(z)$ (à partir d'une compilation de 32 mesures de CC). La régression GP utilise le modèle $\Lambda$CDM comme fonction moyenne de référence, mais est conçue pour être indépendante du modèle dans son résultat final, sélectionnant les courbes les mieux ajustées par minimisation du $\chi^2$. L'analyse marginalise les incertitudes systématiques en utilisant les matrices de covariance pour les données SN Ia et CC.

Contributions clés

1. Détermination de $H_0$ indépendante du modèle : L'article démontre une méthode pour contraindre $H_0$ en utilisant les données BAO sans dépendre de l'échelle de l'horizon sonore ($r_d$) ou de la calibration de la magnitude absolue ($M_B$) des SN Ia. Cela élimine la circularité souvent présente dans les analyses d'échelle de distance qui dépendent de priors de l'Univers primordial.
2. Intégration de DESI DR1 : L'étude incorpore les dernières mesures BAO de haute précision de DESI, qui offrent une précision plus élevée (environ 0,49 %) sur l'échelle isotrope par rapport aux précédents relevés SDSS, bien qu'elles ne couvrent que la moitié de la zone de relevé prévue.
3. Reconstruction robuste : En utilisant la régression GP avec un prior $\Lambda$CDM fiduciaire, les auteurs montrent que les résultats de reconstruction sont robustes face au choix de la fonction moyenne (comparaison entre $\Lambda$CDM et $w_0w_a$CDM) et au nombre de courbes reconstruites, confirmant la stabilité de la méthode.

Résultats
En utilisant les contraintes conjointes de cinq redshifts BAO de DESI ($z = 0,51, 0,706, 0,93, 1,317, 2,33$), les auteurs dérivent une constante de Hubble de :
$$H_0 = 68,4^{+1,0}_{-0,8} \text{ km s}^{-1} \text{ Mpc}^{-1}$$
à un niveau de confiance de 68 %, ce qui correspond à une précision de 1,3 %.

• Cohérence : Ce résultat est en excellent accord (à 1$\sigma$) avec les résultats de Planck CMB ($67,4 \pm 0,5$) et les résultats de la pointe de la branche des géantes rouges (TRGB) ($68,5 \pm 1,5$).
• Tension : La mesure reste en tension à 4,3$\sigma$ avec les résultats du projet SH0ES ($73,04 \pm 1,04$).
• Analyse de sensibilité : Les auteurs notent que l'inclusion du traceur Luminous Red Galaxy (LRG) introduit une influence non négligeable. L'exclusion de points de données LRG spécifiques déplace légèrement le résultat (par exemple, vers $69,7^{+1,1}_{-1,0}$ sans LRG1), soulignant des effets systématiques potentiels dans le traceur LRG qui nécessitent des investigations futures dans les données à 3 et 5 ans de DESI.
• Extrapolation à haut redshift : L'analyse reconnaît que le point Lyman-$\alpha$ ($z=2,33$) se situe en dehors de la plage de redshift des données SN Ia et CC, ce qui pourrait introduire un biais. L'exclusion de ce point produit une estimation corrigée de $68,6 \pm 1,0$ km s⁻¹ Mpc⁻¹, qui reste cohérente avec le résultat principal.

Signification
L'article affirme que ce résultat fournit une mesure cosmologique fondamentale avec un minimum d'hypothèses, reposant uniquement sur des reconstructions pilotées par les données. Les auteurs soutiennent que la persistance de la tension entre leur résultat basé sur DESI et les mesures locales de SH0ES suggère que la tension de Hubble n'est pas simplement une divergence entre les observations à bas et haut redshift (puisque DESI sonde des redshifts intermédiaires), mais pointe plutôt vers une différence physique plus profonde entre l'Univers primordial et l'Univers tardif. Ce travail soutient la validité de l'histoire de l'expansion du modèle $\Lambda$CDM standard tout en soulignant la nécessité d'étudier les effets systématiques dans les échelles de distance locales ou une nouvelle physique dans l'Univers primordial pour résoudre la tension restante.